KR20130122385A - 써모코커스속 균을 이용한 수소 생산방법 - Google Patents

써모코커스속 균을 이용한 수소 생산방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20130122385A
KR20130122385A KR1020120045670A KR20120045670A KR20130122385A KR 20130122385 A KR20130122385 A KR 20130122385A KR 1020120045670 A KR1020120045670 A KR 1020120045670A KR 20120045670 A KR20120045670 A KR 20120045670A KR 20130122385 A KR20130122385 A KR 20130122385A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
culture
thermococcus
medium
carrier
bacteria
Prior art date
Application number
KR1020120045670A
Other languages
English (en)
Inventor
김해진
김양선
송재용
오원균
김현정
이정현
강성균
김태완
Original Assignee
(주)엔솔테크
한국해양연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by (주)엔솔테크, 한국해양연구원 filed Critical (주)엔솔테크
Priority to KR1020120045670A priority Critical patent/KR20130122385A/ko
Publication of KR20130122385A publication Critical patent/KR20130122385A/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N1/00—Microorganisms, e.g. protozoa; Compositions thereof; Processes of propagating, maintaining or preserving microorganisms or compositions thereof; Processes of preparing or isolating a composition containing a microorganism; Culture media therefor
    • C12N1/20—Bacteria; Culture media therefor
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N11/00—Carrier-bound or immobilised enzymes; Carrier-bound or immobilised microbial cells; Preparation thereof
    • C12N11/14—Enzymes or microbial cells immobilised on or in an inorganic carrier
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P3/00—Preparation of elements or inorganic compounds except carbon dioxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Virology (AREA)
  • Tropical Medicine & Parasitology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Preparation Of Compounds By Using Micro-Organisms (AREA)
  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)

Abstract

본 발명은 (A) 수소생산미생물인 써모코커스속 균을 담체와 함께 1차 배지에서 배양하여 상기 써모코커스속 균을 상기 담체에 고정화시키는 고정화단계; (B) 상기 써모코커스속 균이 고정화된 담체를 1차 배지와 분리하여, 재배양 배지에서 배양하는 재배양단계; 및 (C) 상기 써모코커스속 균이 고정화단계 및 재배양단계 중에서 선택된 하나 이상의 단계에서 생산한 수소를 포집하는 단계를 포함하는 써모코커스속 균을 이용한 수소생산방법을 제공한다. 본 발명은 써모코커스속 균을 고농도로 배양함으로써 효율적으로 수소생산이 가능한 효과를 가지며, 나아가 지속적인 수소생산이 가능한 효과를 갖는다.

Description

써모코커스속 균을 이용한 수소 생산방법{A method of producing hydrogen using Thermococcus spp.}
본 발명은 써모코커스속 균을 이용한 수소 생산 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수소를 효율적으로 생산해 낼 수 있는 써모코커스속 균을 이용한 수소 생산방법에 관한 것이다.
써모코커스속 균(Thermococcus spp.)은 수소를 생산하는 미생물로 알려져 있고, 파푸아뉴기니 근처 공해상 심해 열수구로부터 분리, 동정되었다(Journal of Microbiology Biotechnology 2006 vol. 16. No. 11. 1826-1831, Nature 2010 vol. 467 No. 7313).
고세균의 일종인 써모코커스속 균은 일산화탄소, 개미산 등 이용 기질의 범위가 넓고, 단위 세포당 수소생산 효율이 우수한 것으로 알려져 있으나, 대장균 등의 세균과 달리 고농도 배양이 어려워 수소 생산성 증가에 한계가 있다. 또한, 미생물 배양에 일반적으로 사용되는 현탁세포회분식 배양방법을 적용할 경우 매 회분마다 생산된 세포를 폐기하고 다시 세포를 키워야하므로 지속적인 수소 생산이 어려운 문제가 있다.
Journal of Microbiology Biotechnology 2006 vol. 16. No. 11. 1826-1831 Nature 2010 vol. 467 No. 7313. 352-355
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 수소를 효율적으로 생산해 낼 수 있는 써모코커스속 균을 이용한 수소 생산방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 (A) 수소생산미생물인 써모코커스속 균을 담체와 함께 1차 배지에서 배양하여 상기 써모코커스속 균을 상기 담체에 고정화시키는 고정화단계; (B) 상기 써모코커스속 균이 고정화된 담체를 1차 배지와 분리하여, 재배양 배지에서 배양하는 재배양단계; 및 (C) 상기 써모코커스속 균이 고정화단계 및 재배양단계 중에서 선택된 하나 이상의 단계에서 생산한 수소를 포집하는 단계를 포함하는 써모코커스속 균을 이용한 수소생산방법을 제공한다.
상기 써모코커스속 균은 써모코커스 온누리뉴스(Thermococcus onnurineus)일 수 있다.
상기 담체는 비중 1.05~5일 수 있다.
상기 담체는 다공성 무기질 담체로, 바람직하게는 세라믹 또는 셀라이트일 수 있다.
상기 담체는 입도 30~200um일 수 있다.
상기 (A)단계의 상기 담체는 1차 배지 100중량부에 대하여 5~20중량부로 함유되고, 상기 (B)단계의 상기 써모코커스속 균이 고정화된 담체는 재배양배지 100중량부에 대하여 5~20중량부로 함유될 수 있다.
상기 재배양단계는 복수의 재배양배지를 순차적으로 교체하여 복수회 반복배양할 수 있으며, 바람직하게는, 상기 반복배양은 2~100회 반복배양일 수 있다.
상기 (A)단계와 상기 (B)단계의 배양온도는 섭씨 70~90도일 수 있다.
상기 (A)단계의 배양 및 상기 (B)단계의 배양 중에서 선택된 하나 이상의 배양은 유동층 배양일 수 있고, 상기 유동층은 유동가스에 의해 형성될 수 있으며, 바람직하게는, 상기 유동가스는 일산화탄소일 수 있다. 상기 일산화탄소는 써모코커스속 균의 생장을 위한 탄소원일 수 있다.
상기 (A)단계의 유동층 배양은 1차배지에 통기속도 0.01~0.1vvm의 유동가스를 주입하여 형성되는 유동층 배양이고, 상기 (B)단계의 유동층 배양은 재배양배지에 통기속도 0.1~2.0vvm의 유동가스를 주입하여 형성되는 유동층 배양일 수 있다.
본 발명은 써모코커스속 균을 고농도로 배양함으로써 효율적으로 수소생산이 가능한 효과를 갖는다. 나아가 지속적인 수소생산이 가능한 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 수소생산방법의 일 실시예를 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명의 수소생산방법의 일 실시예를 설명하기 위하여 개략적인 공정을 나타낸 공정도이다.
도 3은 실시예 2의 수소 생산성을 나타낸 그래프이다.
도 4는 실시예 3의 수소 생산성을 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 또한, "및/또는"은 언급된 구성요소의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 발명에서 써모코커스속 균은 써모코커스속에 속하는 미생물로, 써모코커스속 균주(cell line)를 포함하는 의미이다. 이로써 제한되는 것은 아니나, 써모코커스속 균의 바람직한 예는 써모코커스 온누리뉴스(Thermococcus onnurineus)이다.
도 1 내지 도 2를 참조하여, 본 발명의 일 실시예인 수소생산방법에 대해 보다 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 수소생산방법의 일 실시예를 나타낸 순서도이고, 도 2는 본 발명의 수소생산방법의 일 실시예를 설명하기 위한 공정도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 수소생산방법의 일 실시예는 (A) 수소생산미생물인 써모코커스속 균을 담체와 함께 1차 배지에서 배양하여 상기 써모코커스속 균을 상기 담체에 고정화시키는 고정화단계; (B) 상기 써모코커스속 균이 고정화된 담체를 1차 배지와 분리하여, 재배양 배지에서 배양하는 재배양단계; 및 (C) 상기 써모코커스속 균이 고정화단계 및 재배양단계 중에서 선택된 하나 이상의 단계에서 생산한 수소를 포집하는 단계를 포함하여 수소를 생산한다.
상기 1차 배지에서 배양 및 상기 재배양 배지에서 배양 중에서 선택된 하나 이상은 각각 회분식 배양일 수 있으며, 상기 1차 배지 및 상기 재배양 배지 중에서 선택된 하나 이상은 써모코커스속 균을 배양할 수 있는 공지의 배지일 수 있다.
상기 담체는 써모코커스속 균이 고정화될 수 있는 한 이로써 제한되는 것은 아니나, 바람직하게는 물보다 비중이 큰 것으로, 보다 바람직하게는 비중 1.05~5.0의 다공성 무기질 담체일 수 있다. 비중 1.05 미만에서 무게가 가벼워 고정화 단계 이후 1차 배지를 고액분리에 의해 제거하는 것이 용이하지 않을 염려가 있고, 5.0 초과에서 후술하는 유동화가 용이하지 않을 염려가 있다. 상기 다공성 무기질 담체는 세라믹(ceramic) 및 셀라이트(celite) 중에서 선택된 하나 이상일 수 있다. 써모코커스속 균이 다공성 무기질 담체의 기공 내에 갇혀 성장함으로써, 용이하게 고정화될 수 있다. 상기 담체는 비중이 물보다 큰 결과 배지에서 쉽게 침강되어 고액분리가 용이하게 되어 고정화 단계 이후 1차 배지를 고액분리에 의해 제거하고, 고정화 세포가 유출되지 않은 상태에서 재배양 배지로 1차 배지를 교체함으로써 고농도 상태를 유지하면서 수소를 생산하는 것이 가능하다. 상기 다공성은 표면에 2 이상의 구멍을 포함하는 것을 의미한다.
상기 담체는 이로써 제한되는 것은 아니나, 바람직하게 입도 30~200um일 수 있다. 30um 미만에서 침강속도가 낮아 고액분리에 의해 1차 배지와 분리하는 것이 용이하지 않아 재배양단계를 실시하는 것이 어려울 염려가 있고, 200um 초과에서 유동이 용이하지 않아 후술하는 유동층 배양이 어려울 염려가 있다.
상기 (A)단계의 상기 담체는 1차 배지 100중량부에 대하여 5~20중량부로 함유되고, 상기 (B)단계의 상기 써모코커스속 균이 고정화된 담체는 재배양배지 100중량부에 대하여 5~20중량부로 함유될 수 있다. 상기 범위 미만에서 써모코커스속 균이 고정화되기 위한 공간이 부족할 염려가 있고, 상기 범위 초과시 후술하는 유동층 배양이 어려울 염려가 있다. 상기 (A)단계에서 뿐만 아니라, 상기 (B)단계에서도 써모코커스속 균은 담체에 지속적으로 고정화될 수 있다.
상기 재배양단계는 1회 실시할 수 있으나, 복수의 재배양배지를 순차적으로 교체하여 복수회 반복배양할 수도 있다. 즉, 상기 재배양단계는 1차 재배양배지를 이용하여 1차 재배양한 후, 2차 재배양배지로 1차 재배양배지를 교체하여 2차 재배양하는 방식으로 N차 재배양이 가능하다. 예를 들어, 반복 회분배양이 가능하다. 상기 반복배양은 이로써 제한되는 것은 아니나, 바람직하게는 2~100회 반복배양일 수 있다. 2회 미만에서 수소생산량이 부족할 염려가 있고, 100회 초과에서 장시간 담체들 간의 충돌에 의해 마모 및 분쇄될 가능성이 있어, 그에 따른 세포의 유출 및 마모 및 분쇄된 담체의 유출 염려 등이 있다.
상기 (A)단계와 상기 (B)단계의 배양온도는 이로써 제한되는 것은 아니나, 바람직하게 각각 섭씨 70~90도일 수 있다. 섭씨 70도 미만에서 써모코커스속 균의 성장이 느려져 수소 생산성이 떨어질 염려가 있고, 섭씨 90도 초과에서 수분 증발량이 늘어나 배지의 부피가 감소되어 써모코커스속 균의 생육 환경이 악화되어 성장이 저하되는 결과 수소생산성이 떨어질 염려가 있다.
상기 (A)단계의 배양 및 상기 (B)단계의 배양 중에서 선택된 하나 이상의 배양은 유동층 배양일 수 있다. 상기 유동층 배양은 상기 (A)단계의 담체 및 상기 (B)단계의 상기 써모코커스속 균이 고정화된 담체 중에서 선택된 하나 이상이 유동하는 상태에서의 배양을 의미하며, 상기 유동은 교반기 또는 가스분사 등을 이용한 물리적인 작용이나 기포발생제와 같은 화학적 작용 등에 의해 발생할 수 있다. 상기 유동층은 이로써 제한되는 것은 아니나, 유동가스에 의해 형성될 수 있으며, 바람직하게는 상기 (A)단계의 1차 배지 및 상기 (B)단계의 재배양 배지 중에서 선택된 하나 이상에 유동가스를 주입하여 형성될 수 있다. 상기 유동가스는 1차 배지 및/또는 재배양 배지를 유동시킬 수 있는 가스인 한 이로써 제한되는 것은 아니나, 바람직하게는 일산화탄소일 수 있다. 상기 일산화탄소는 (A)단계의 1차 배지 및 상기 (B)단계의 재배양 배지 중에서 선택된 하나 이상의 탄소원일 수도 있다. 즉, 상기 일산화탄소가 써모코커스속 균의 생장을 위한 탄소원이 되는 결과, 상기 (A)단계의 1차 배지 및 상기 (B)단계의 재배양 배지 중에서 선택된 하나 이상에는 추가적인 탄소원을 첨가하지 않고도 수소생산이 가능하다. 즉, 일산화탄소 가스를 공급하여 유동층을 형성하는 동시에 써모코커스속 균의 성장을 위한 탄소원으로도 작용할 수 있는 것이다. 상기 일산화탄소 가스는 물에 대한 용해성이 크지 않아 써모코커스속 균이 탄소원으로 사용하는 것이 용이하지 않으나, 상기 (A)단계의 담체 및 상기 (B)단계의 상기 써모코커스속 균이 고정화된 담체 중에서 선택된 하나 이상이 일산화탄소 기포를 잘게 부숴주는 역할을 하게 되어 일산화탄소의 이용율을 높여줄 수 있다. 그 결과 써모코커스 속 균의 이산화탄소 이용율을 증가시켜, 성장을 촉진하게 되고 수소생산효율을 높이는 것이 가능하다. 즉, 담체가 고정화 담체로서의 역할 뿐만 아니라 유동사로서 기포를 분쇄할 수 있어 기체의 물질 전달 효율을 향상시키는 추가적인 효과를 나타낼 수 있다.
상기 고정화단계에서 유동층은 이로써 제한되는 것은 아니나, 1차배지에 통기속도 0.01~0.1vvm(volume per volume per minute)의 유동가스를 주입하여 형성될 수 있다. 상기 0.01vvm 미만에서 고정화를 위한 최소한의 유동효과가 불충분할 염려가 있고, 상기 0.1vvm 초과에서 유동화 정도가 심하여 고정화가 불충분할 염려가 있다. 즉, 상기 고정화단계에서 유동은 고정화에 필요한 정도가 바람직하다.
또한, 상기 재배양단계에서 유동층은 이로써 제한되는 것은 아니나, 재배양배지에 통기속도 0.1~2.0vvm의 유동가스를 주입하여 형성될 수 있다. 0.1vvm 미만에서 재배양에 충분한 유동이 일어나지 않을 염려가 있고, 2.0vvm 초과에서 가스 공급량에 비해 수소생산성 증가는 더 이상 커지지 않을 염려가 있다. 상기 유동가스가 일산화탄소일 경우 통기속도가 증가함에 따라 일산화탄소 전환율이 감소하여 수소생산성이 감소할 수 있다.
상기 (A)단계와 (B)단계는 도 2에 도시된 배양기(100)에서 실시될 수 있다. 상기 배양기(100)는 혐기성 배양기로, 컬럼형일 수 있다. 컬럼형 배양기를 적용함으로써, 가스 등을 분사하여 유동층을 용이하게 형성할 수 있다. 상기 혐기성 배양기는 배양기 내부를 혐기성으로 유지해 줄 수 있는 밀폐된 구조의 공지의 배양기일 수 있으며, 공지의 것을 사용할 수 있다. 공지의 관측창, 온도제어센서, pH 제어센서, 거품 제어 센서, 전열선 등의 가열수단, pH 조절제 공급관 등의 pH 조절제 공급수단, 및 거품제거제 공급관 등의 거품제거제 공급수단 등이 장착된 구조의 것으로 상용화된 것일 수 있다. 상기 1차 배지 및 상기 재배양배지는 써모코커스속 균을 배양할 수 있는 공지의 배양액일 수 있다.
상기 배양기로 가스공급은 외부의 가스공급부(400)로부터 가스공급관(470)을 통해 공급될 수 있다. 상기 가스공급부(400)는 일산화탄소와 같은 가스 배출원에 말단이 연결된 관 또는 일산화탄소와 같은 가스가 충진된 봄베 등일 수 있다. 상기 가스공급부(400)에서 공급되는 가스의 양을 조절하기 위해 가스공급관(470)에 밸브(450)를 설치할 수 있다. 상기 밸브(450)는 유량계일 수 있다. 또한, 가스공급관(470)의 연결부에 배플 등을 설치하여 가스가 배양기로 분산되어 주입될 수 있다.
상기 수소를 포집하는 단계는 상기 써모코커스속 균이 고정화 단계 및 재배양단계 중에서 선택된 하나 이상의 단계에서 생산한 수소 가스를 포집하는 단계로, 가스포집부(600)로 수소 가스를 포집할 수 있다. 상기 가스포집부(600)는 가스 저장부에 말단이 연결된 관이거나 가스 저장탱크 등 공지의 가스포집장치일 수 있다. 상기 가스포집부(600)는 가스 배출관(670)에 의해 배양기(100)에 연결될 수 있으며, 상기 가스 배출관(670)에 밸브(650)를 설치하여 유량을 조절할 수 있다. 상기 가스포집부(600)는 수소 이외에 배양과정에서 발생하는 가스를 함께 포집할 수 있으며, 상기 가스포집부(600)에서 포집된 가스는 정제과정을 거쳐 수소의 순도를 높이는 것이 가능하다. 상기 정제는 가스포집부(600)에서 일체로 이루어질 수 있다. 상기 가스포집부(600)의 전단에는 필터 등을 배치하여 원하지 않는 물질이 유입되는 것을 막아줄 수 있다. 또한, 상기 가스배출관(670)에 냉각부를 설치하여 배출되는 가스의 온도를 낮춰 줌으로써 부피를 감소시켜 가스포집부(600)의 수용능력을 증가시키거나, 고온으로 인한 손상 등을 막아주는 효과를 나타낼 수 있다. 상기 냉각부는 공지의 냉각장치일 수 있으며, 냉매를 순환시켜 배출되는 가스를 냉각시킬 수 있다.
상기 배양기(100)에 1차 배지 및 재배양 배지 중에서 선택된 하나 이상의 공급을 위해 배지 공급부(800)를 설치할 수 있으며, 상기 배지 공급부(800)는 배지에 일단이 연결된 관이거나 저장탱크 등일 수 있다. 상기 배지 공급부(800)는 배양기(100)와 배지공급관(870)에 의해 연결될 수 있으며, 상기 배지공급관(870)에 밸브(850)를 설치하여 공급되는 배지 유량을 조절할 수 있다.
또한, 폐기물 저장부(900)를 설치하여 배양기에서 사용된 1차 배지 및 사용된 재배양 배지 중에서 선택된 하나 이상을 저장할 수 있다. 상기 폐기물 저장부(900)는 저장탱크 또는 말단이 폐기물 처리장치에 연결된 관 등일 수 있다.
상기 폐기물 저장부(900)는 폐기물 이송관(970)에 의해 배양기(100)에 연결될 수 있다. 상기 폐기물 이송관(970)에 밸브(950)를 설치하여 유량을 조절할 수 있다. 상기 배지 공급부로부터 배지 공급주기와 공급량, 폐기물 저장부로 이송되는 폐기물 이송량과 주기를 조정함으로써 다양한 운전주기를 갖는 회분식 배양 등에 적용이 가능하다.
하기 실시예 1~3과 비교예 1을 통하여, 보다 상세히 본 발명의 일 실시예에 대해 설명한다.
<실시예 1> 시럼병에서 개미산을 기질로 이용한 수소생산방법
NaCl 35g/L, KCl 0.7g/L, CaCl2·2H2O 0.4g/L, NH4Cl 0.3g/L, NaHCO3 0.5g/L, cysteine-HCl 0.5g/L, 효모추출물 1g/L, MgSO4 3.9g/L, Na2HPO4 0.15g/L, Na2SiO3 0.003g/L와 기타 미량원소를 포함한 수용액을 제조하였다. 상기 용액에 개미산 농도를 100mM이 되도록 첨가하여 1차 배지를 제조하였다. 150mL 용량의 시럼병(serum bottle)에 상기 1차 배지를 50mL 주입하고, 담체인 셀라이트를 6%(w/w)가 되도록 첨가하였다. 상기 셀라이트는 사용 전에 입도 100~150um의 입자를 선별한 후, 증류수로 수 회 세척하고 섭씨 90도에서 건조하였으며, 휘발성 물질을 제거하기 위하여 공기분위기에서 섭씨 600도로 열처리하여 준비하였다. 상기 담체가 첨가된 1차 배지에 Thermococcus onnurineus NA1{한국해양연구원에서 입수, 공지의 방법에 의해 분리, 동정함(Journal of Microbiology Biotechnology 2006 vol. 16. No. 11 1826-1831)} 배양액 2.5mL을 접종하여 배양을 시작하였다. 배양액의 초기 pH는 7.0이고 배양온도는 섭씨 80도를 유지하였다. 12시간 경과 후, 담체와 액상 배지를 고액분리하여 사용된 1차배지를 폐기하고, 1차 재배양배지(1차 배지와 동일하게 제조함)로 1차배지를 교체한 것을 제외하고 1차배지 배양과 동일 조건에서 배양하였다. 12시간 경과 후, 1차 재배양배지를 2차 재배양배지(1차 배지와 동일하게 제조함)로 교체한 것을 제외하고, 1차 재배양배지 배양과 동일한 방법으로 배양하였다. 1차배지 배양, 1차 재배양배지 배양 및 2차 재배양배지 배양 각각 종료시에 시럼병 헤드스페이스(headspace)의 가스를 샘플링하고 수소 함량을 측정하였다. 가스 중 수소 함량은 가스크로마토그래피(영인기기)로 측정하였다.
<비교예 1> 현탁세포 배양에 의한 수소 생산
NaCl 35g/L, KCl 0.7g/L, CaCl2·2H2O 0.4g/L, NH4Cl 0.3g/L, NaHCO3 0.5g/L, cysteine-HCl 0.5g/L, 효모추출물 1g/L, MgSO4 3.9g/L, Na2HPO4 0.15g/L, Na2SiO3 0.003g/L와 기타 미량원소를 포함한 수용액을 제조하였다. 상기 용액에 개미산 농도를 100mM이 되도록 첨가하여 1차 배지를 제조하였다. 150mL 용량의 시럼병(serum bottle)에 상기 1차 배지를 50mL 주입하고, Thermococcus onnurineus NA1{한국해양연구원에서 입수, 공지의 방법에 의해 분리, 동정함(Journal of Microbiology Biotechnology 2006 vol. 16. No. 11 1826-1831)} 배양액 2.5mL을 접종하여 배양을 시작하였다. 배양액의 초기 pH는 7.0이고 배양온도는 섭씨 80도를 유지하였다. 12시간 경과 후, 배양액의 90%를 제거하고, 1차 재배양배지(1차 배지와 동일하게 제조함)로 잔량을 맞춘 것을 제외하고, 1차배지 배양과 동일 조건에서 배양하였다. 12시간 경과 후, 1차 재배양액의 90%를 제거하고, 2차 재배양배지(1차 배지와 동일하게 제조함)로 잔량을 맞춘 것을 제외하고, 1차배지 배양과 동일 조건에서 배양하였다. 1차배지 배양, 1차 재배양배지 배양 및 2차 재배양배지 배양 각각 종료시에 시럼병 헤드스페이스(headspace)의 가스를 샘플링하고 수소 함량을 측정하였다. 가스 중 수소 함량은 가스크로마토그래피(영인기기)로 측정하였다.
상기 실시예 1과 비교예 1의 결과를 하기 표에 나타내었다.

배양
실시예 1
비교예 1

1차 배지
3.6％
3.5％

1차 재배양배지
29.2％
17.2％

2차 재배양배지
33.1％
23.2％
상기 표에서 보는 바와 같이, 담체를 이용하여 써모코커스속 균을 고정화시켜 수소를 생산하는 실시예 1의 방법이 현탁세포배양에 의해 수소를 생산하는 비교예 1의 방법에 비해 우수함을 알 수 있다.
특히, 1차 배지에서의 생산량은 실시예 1과 비교예 1이 유사하나, 재배양단계를 거침으로써, 비교예 1에 비해 실시예 1의 수소생산량은 약 2배 증가하는 것으로부터, 본 발명에 의한 수소생산방법에 의해 효과적으로 수소생산이 가능함을 알 수 있다.
<실시예 2> 컬럼형 유동층 배양기에서 개미산을 기질로 이용한 수소생산방법
800mL 용량의 컬럼 배양기에 실시예 1의 1차 배지와 동일한 방법으로 제조한 1차 배지를 400mL 주입하고, 실시예 1에서와 동일한 방법으로 준비한 셀라이트를 10%(w/w) 농도가 되도록 첨가하였다. 상기 셀라이트가 첨가된 1차 배지에 Thermococcus onnurineus NA1{한국해양연구원에서 입수, 공지의 방법에 의해 분리, 동정함(Journal of Microbiology Biotechnology 2006 vol. 16. No. 11 1826-1831)} 배양액(working volume의 5v/v% 해당량)을 접종하여 배양을 시작하였다. 배양액의 초기 pH는 7.0이고 배양온도는 섭씨 80도를 유지하였고, 컬럼 배양기 하단으로부터 통기속도 0.03vvm의 질소가스를 주입하여 유동층을 형성하였다. 24시간 경과 후, 질소가스의 주입을 정지하여 담체를 침전시킨 후 상등액을 제거하고, 1차 재배양배지(1차 배지와 동일하게 제조함)를 공급하여, 질소가스의 통기속도를 0.03vvm 대신 1 vvm으로 변경한 것을 제외하고 1차 배지 배양과 동일 조건에서 배양하였다. 24시간 경과 후, 1차 재배양 배지를 2차 재배양배지(1차 배지와 동일하게 제조함)로 교체한 것을 제외하고, 1차 재배양 배지 배양과 동일하게 배양하였다. 또한, 24시간 경과 후, 2차 재배양배지를 3차 재배양배지(1차 배지와 동일하게 제조함)로 교체한 것을 제외하고, 2차 재배양배지 배양과 동일하게 배양하였다. 1차 배지 배양, 1차 재배양배지 배양, 2차 재배양배지 배양 및 3차 재배양배지 배양 각각에 대해 수소생산성을 측정하였다. 수소 생산성(H2 productivity)은 총 가스 내 수소 량을 배양액 총 부피 (Working volume)와 총 시간으로 나누어 구하였다. 상기 총 가스 내 수소 량은 습식 가스메타(Shinagawa-일본)를 이용하여 측정한 총 가스 생산량 측정값에, 가스크로마토그래피(영인기기)로 측정한 수소함량을 곱하여 구하였다. 그 결과를 도 3에 나타내었다.
도 3은 배양횟수 변화에 따른 수소생산성 결과를 나타낸 그래프로, x축의 Batch는 회분수(배양횟수)를 의미하고, x축의 1은 1차 배양, 2는 1차 재배양, 3은 2차 재배양, 4는 3차 재배양을 의미한다. 또한, y축의 수소 생산성(H2 productivity)은 하루 중 생산되는 수소생산량(L-H2)을 사용 배지양(L) 으로 나눈 값으로, 그 값이 클수록 수소생산성이 높은 것을 의미한다.
도 3에서 보는 바와 같이, 1차 배양으로 써모코커스속 균이 고정화된 이 후, 회분이 반복됨에 따라 즉, 재배양 단계에서 반복배양의 횟수가 증가함에 따라 수소생산성이 증가함을 알 수 있다. 이와 같은 결과로부터 본 발명에 의해 세포 고정화를 통하여 써모코커스속 균을 고밀도로 성장시켜 수소생산성이 증가되며, 지속적인 수소생산이 가능함을 알 수 있다.
<실시예 3> 컬럼형 유동층 배양기에서 일산화탄소를 기질로 이용한 수소생산방법
800mL 용량의 컬럼 배양기에, 개미산을 포함하지 않은 것을 제외하고 실시예 1의 1차 배지와 동일한 방법으로 제조한 1차 배지를 400mL 주입하고, 실시예 1에서와 동일한 방법으로 준비한 셀라이트를 10%(w/w) 농도가 되도록 첨가하였다. 상기 셀라이트가 첨가된 1차 배지에 Thermococcus onnurineus NA1{한국해양연구원에서 입수, 공지의 방법에 의해 분리, 동정함(Journal of Microbiology Biotechnology 2006 vol. 16. No. 11 1826-1831)} 배양액(working volume의 5v/v% 해당량)을 접종하여 배양을 시작하였다. 배양액의 초기 pH는 7.0이고 배양온도는 섭씨 80도를 유지하였고, 컬럼 배양기 하단으로부터 통기속도 0.03vvm의 일산화탄소 가스(100%)를 주입하여 유동층을 형성하였다. 24시간 경과 후, 가스의 주입을 정지하여 담체를 침전시킨 후 상등액을 제거하고, 1차 재배양배지(1차 배지와 동일하게 제조함)를 공급하여, 가스의 통기속도를 0.03vvm 대신 1 vvm으로 변경한 것을 제외하고 1차 배지 배양과 동일 조건에서 배양하였다. 24시간 경과 후, 1차 재배양 배지를 2차 재배양배지(1차 배지와 동일하게 제조함)로 교체한 것을 제외하고, 1차 재배양 배지 배양과 동일하게 배양하였다. 또한, 24시간 경과 후, 2차 재배양배지를 3차 재배양배지(1차 배지와 동일하게 제조함)로 교체한 것을 제외하고, 2차 재배양배지 배양과 동일하게 배양하였다. 그 이후, 동일한 방식으로 6차 재배양까지 실시하였다. 시간 경과별로 수소생산성을 산정하였다. 수소 생산성(H2 productivity)은 실시예 3과 동일한 방법으로 산정하였고, 그 결과를 도 4에 나타내었다.
도 4는 시간에 따른 수소생산성 결과를 나타낸 그래프로, x축의 Time은 경과시간(시간)을 나타내고, y축의 수소 생산성(H2 productivity)은 하루 중 생산되는 수소생산량(L-H2)을 사용 배지양(L)으로 나눈 값으로, 그 값이 클수록 수소생산성이 높은 것을 의미한다.
도 4에서 보는 바와 같이, 1차 배양으로 써모코커스속 균이 고정화된 이 후, 회분이 반복됨에 따라 즉, 재배양 단계에서 반복배양의 횟수가 증가함에 따라 수소생산성이 증가하여 15L-H2/L/d 이상의 값을 얻을 수 있었다. 이와 같은 결과로부터 본 발명에 의해 세포 고정화를 통하여 써모코커스속 균을 고밀도로 성장시켜 수소생산성이 증가되며, 지속적으로 수소생산이 가능함을 알 수 있다.
100: 배양기 450, 650, 850, 950: 밸브
400: 가스 공급부 600: 가스포집부
670: 가스배출관 800: 배지 공급부
870: 배지 공급관 900: 폐기물 저장부
970: 폐기물 이송관

Claims (15)

  1. (A) 수소생산미생물인 써모코커스속 균을 담체와 함께 1차 배지에서 배양하여 상기 써모코커스속 균을 상기 담체에 고정화시키는 고정화단계;
    (B) 상기 써모코커스속 균이 고정화된 담체를 1차 배지와 분리하여, 재배양 배지에서 배양하는 재배양단계; 및
    (C) 상기 써모코커스속 균이 고정화단계 및 재배양단계 중에서 선택된 하나 이상의 단계에서 생산한 수소를 포집하는 단계를 포함하는 써모코커스속 균을 이용한 수소생산방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 써모코커스속 균은 써모코커스 온누리뉴스(Thermococcus onnurineus)인 써모코커스속 균을 이용한 수소생산방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 담체는 비중 1.05~5인 써모코커스속 균을 이용한 수소생산방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 담체는 다공성 무기질 담체인 써모코커스속 균을 이용한 수소생산방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 다공성 무기질 담체는 세라믹 또는 셀라이트인 써모코커스속 균을 이용한 수소생산방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 담체는 입도 30~200um인 써모코커스속 균을 이용한 수소생산방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 (A)단계의 상기 담체는 1차 배지 100중량부에 대하여 5~20중량부로 함유되고, 상기 (B)단계의 상기 써모코커스속 균이 고정화된 담체는 재배양배지 100중량부에 대하여 5~20중량부로 함유되는 써모코커스속 균을 이용한 수소생산방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 재배양단계는 복수의 재배양배지를 순차적으로 교체하여 복수회 반복배양하는 써모코커스속 균을 이용한 수소생산방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 반복배양은 2~100회 반복배양인 써모코커스속 균을 이용한 수소생산방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 (A)단계와 상기 (B)단계의 배양온도는 섭씨 70~90도인 써모코커스속 균을 이용한 수소생산방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 (A)단계의 배양 및 상기 (B)단계의 배양 중에서 선택된 하나 이상의 배양은 유동층 배양인 써모코커스속 균을 이용한 수소생산방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 유동층은 유동가스에 의해 형성되는 써모코커스속 균을 이용한 수소생산방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 유동가스는 일산화탄소인 써모코커스속 균을 이용한 수소생산방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 일산화탄소는 써모코커스속 균의 생장을 위한 탄소원인 써모코커스속 균을 이용한 수소생산방법.
  15. 제12항에 있어서, 상기 (A)단계의 유동층 배양은 1차배지에 통기속도 0.01~0.1vvm의 유동가스를 주입하여 형성되는 유동층 배양이고, 상기 (B)단계의 유동층 배양은 재배양배지에 통기속도 0.1~2.0vvm의 유동가스를 주입하여 형성되는 유동층 배양인 써모코커스속 균을 이용한 수소생산방법.
KR1020120045670A 2012-04-30 2012-04-30 써모코커스속 균을 이용한 수소 생산방법 KR20130122385A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120045670A KR20130122385A (ko) 2012-04-30 2012-04-30 써모코커스속 균을 이용한 수소 생산방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120045670A KR20130122385A (ko) 2012-04-30 2012-04-30 써모코커스속 균을 이용한 수소 생산방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20130122385A true KR20130122385A (ko) 2013-11-07

Family

ID=49852190

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020120045670A KR20130122385A (ko) 2012-04-30 2012-04-30 써모코커스속 균을 이용한 수소 생산방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20130122385A (ko)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20150055249A (ko) * 2013-11-13 2015-05-21 한국해양과학기술원 써모코커스 온누리누스 mc02 및 이를 이용한 수소생산방법
KR101534483B1 (ko) * 2013-11-13 2015-07-07 한국해양과학기술원 써모코커스 온누리누스 wtc155t 균주 및 이를 이용한 수소생산방법
KR20180134117A (ko) * 2017-06-08 2018-12-18 한국에너지기술연구원 고압 교반 반응기를 사용한 생물학적 수성가스 전환반응에서의 수소 생산성 증진 방법
KR20190134376A (ko) * 2018-05-25 2019-12-04 한국에너지기술연구원 식물성 유지를 사용한 미생물 배양 방법 및 이러한 방법을 통한 발효물 생산 방법

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20150055249A (ko) * 2013-11-13 2015-05-21 한국해양과학기술원 써모코커스 온누리누스 mc02 및 이를 이용한 수소생산방법
KR101534483B1 (ko) * 2013-11-13 2015-07-07 한국해양과학기술원 써모코커스 온누리누스 wtc155t 균주 및 이를 이용한 수소생산방법
KR20180134117A (ko) * 2017-06-08 2018-12-18 한국에너지기술연구원 고압 교반 반응기를 사용한 생물학적 수성가스 전환반응에서의 수소 생산성 증진 방법
KR20190134376A (ko) * 2018-05-25 2019-12-04 한국에너지기술연구원 식물성 유지를 사용한 미생물 배양 방법 및 이러한 방법을 통한 발효물 생산 방법

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Yokoi et al. H production by immobilized cells of Clostridium butyricum on porous glass beads
Yokoi et al. H2 production from starch by a mixed culture of Clostridium butyricum and Enterobacter aerogenes
JPWO2016006556A1 (ja) 化合物の製造方法及び前記製造方法に用いられる化合物の製造システム
Yang et al. Increasing the methane production rate of hydrogenotrophic methanogens using biochar as a biocarrier
KR20130122385A (ko) 써모코커스속 균을 이용한 수소 생산방법
Sivagurunathan et al. Development of a novel hybrid immobilization material (HY‐IM) for fermentative biohydrogen production from beverage wastewater
JP2018529367A (ja) ガス供給が遮断可能なバイオリアクター
Zheng et al. Scaling up of ethanol production from sugar molasses using yeast immobilized with alginate-based MCM-41 mesoporous zeolite composite carrier
Guo et al. Enhanced CO 2 biofixation and protein production by microalgae biofilm attached on modified surface of nickel foam
Praveen et al. Low-retention operation to enhance biomass productivity in an algal membrane photobioreactor
CN103555572B (zh) 一种高效气提耦合发酵制备丁醇的装置和方法
CN107473384B (zh) 一种利用微藻处理氨氮废水的装置及方法
US20100041124A1 (en) Multi-stage cstr bioreactor system equipped with cell recycle unit
CN103214147A (zh) 一种炼油废水处理方法及装置
CN101007682A (zh) 利用高浓度有机废水的制氢设备及其制氢方法
KR102240142B1 (ko) 반응조 내부에 다이나믹 생물막을 포함하는 바이오수소 제조장치 및 이를 이용한 바이오수소 제조방법
CN111471595A (zh) 一种污泥源头减量菌株的分离筛选方法
Tao et al. New solid-state fermentation process for repeated batch production of fibrinolytic enzyme by Fusarium oxysporum
JP2009261287A (ja) クロレラ・水素生産方法およびクロレラ・水素生産装置
CN101525604B (zh) 一种用添加山梨醇提高发酵生产碱性果胶酶产量的方法
CN108384748A (zh) 一种自动化培养二倍体细胞的方法
CN106967636A (zh) 一种菌株gx‑3及从含金离子废水中回收纳米金的方法
CN212246705U (zh) 一种生物质水热产能工艺装置
CN1207391C (zh) 多孔吸附载体固态发酵方法及其装置
Furuta et al. Production of glucoamylase by passively immobilized cells of a flocculent yeast, Saccharomyces diastaticus

Legal Events

Date Code Title Description
WITN Withdrawal due to no request for examination